CN103116226A - 一种基于复合腔结构的亚微米表面等离激元分束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合腔结构的亚微米表面等离激元分束器。本发明的表面等离激元分束器包括：金属薄膜；在金属薄膜上设置有穿透金属薄膜上表面和下表面的纳米缝；在纳米缝的一侧设置有纳米沟槽，形成非对称纳米单缝；在纳米沟槽的下方集成金属-介质-金属MIM垂直腔。本发明在分束器的工作波长处，非对称纳米单缝的上半部分形成的FP谐振腔和集成于其中的MIM垂直腔可以几乎独立的操控SPPs。不仅能够实现SPPs分束，更大的优势在于允许方便地调整分束波长，同时不增加横向尺寸，有利于提高集成度，在高集成度等离激元回路中具有潜在应用。本发明结构简单，分束性能好，消光比高，也为其他的表面等离激元功能器件提供了设计思路。

Description

一种基于复合腔结构的亚微米表面等离激元分束器

技术领域

本发明涉及纳米光子学领域，尤其涉及一种基于复合腔结构的亚微米表面等离激元分束器。

背景技术

表面等离激元（Surface Plasmon Polariton）SPPs是目前纳米光子学研究中的热点。表面等离激元是一种存在于金属与介质界面处的光波与金属内自由电子耦合的集体振荡，它是一种特殊的界面束缚模式的电磁场，其存在可以通过求解在金属与介质界面的边界条件下的麦克斯韦方程组而得到。SPPs最大的特点是可以把光场局域在金属与介质界面处亚波长的尺寸内，突破传统光学的衍射极限，同时还拥有局域场增强效应，近年来SPPs得到了研究者的广泛关注。

由于SPPs可以突破衍射极限并在亚波长尺度操纵光场，SPPs有望实现超紧凑的集成全光回路，被认为是下一代信息处理技术的有力竞争者。为实现这样的应用，对SPPs实现高效及方向可控的激发是非常基本且关键的。目前，人们已提出了多种SPPs单向激发器，即让激发出的SPPs向特定方向传播。但是这种单向激发器只能控制一个方向有效的消光。更进一步的，能使不同波长SPPs向相反方向传播的双向SPPs分束器件也得以实现。与单向激发器相比，双向SPPs分束器能够实现更多的功能，也有更广阔的应用，但是结构更加复杂，也难以制备，因此，这方面的工作目前还比较少。通过在纳米单缝两侧加两个周期不同的光栅，可以引导与周期相对应波长的SPPs向该方向传播。但这些额外的光栅结构极大的增加了SPPs分束器的尺寸，不利于高度集成。再者，在非对称的纳米单缝上覆盖一层有限厚度的介质膜也能实现SPPs的分束，但是由于增加了介质膜，缩短了SPPs的传输距离，同时降低了器件设计和加工上的灵活性。最近，有人提出利用尺寸不同的纳米沟槽对SPPs的不同反射特性，即制备一对平行的宽度不同的纳米沟槽来实现亚微米的分束器，但分束比过低，在分束波长650nm和750nm分别只获得了3:1和1:2的分束比。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于复合腔结构的亚微米表面等离激元分束器。

本发明的目的在于提供一种基于复合腔结构的亚微米表面等离激元分束器。

本发明的基于复合腔结构的亚微米表面等离激元分束器包括：金属薄膜；在金属薄膜上设置有穿透金属薄膜上表面和下表面的纳米缝；在纳米缝的一侧设置有纳米沟槽，形成非对称纳米单缝；在纳米沟槽的下方集成金属-介质-金属MIM垂直腔。

金属薄膜的厚度≥400nm，材料采用金或银等贵重金属。

设置在金属薄膜上的纳米缝及在纳米缝的一侧的纳米沟槽，形成非对称纳米单缝，这种结构可以实现SPPs的单向激发。以在纳米缝的左侧设置纳米沟槽为例，当以电场方向垂直于纳米缝的偏振光作为入射光背入射时，纳米单缝的下半部分激发出两束SPPs，一束沿着纳米沟槽的底部向左传播SPP_L，另一束沿着金属薄膜的上表面向右传播SPP_R。向左传播的SPP_L的一部分在纳米沟槽的左壁与纳米缝的右壁之间来回反射，产生共振，从而纳米沟槽的左壁与纳米缝的右壁之间形成法布里-珀罗谐振腔（Fabry-Perot）FP谐振腔。向左传播的SPP_L的另一部分分别从纳米沟槽的左壁与纳米缝的右壁透射出去，从纳米缝的右壁透射出去的SPP_L与SPP_R相互叠加，调节FP谐振腔的长度L_FP，可以调节这两个成分的相位差，当相位差等于π的奇数倍时，二者相干相消，向纳米缝方向传播的SPPs消光，对应的FP谐振腔的消光波长λ_FP等于入射光的波长。改变FP谐振腔的长度L_FP可以改变FP谐振腔的消光波长λ_FP。进一步通过调节FP谐振腔的深度h_FP，可以调节SPP_L的强度，从而使从右侧透射出去的SPP_L与SPP_R的强度完全相等，实现完全相干相消。但是，向左传播的SPPs却不能实现消光，这是因为向左传播的SPPs主要是在FP谐振腔内不同来回的SPP_L从左侧透射后干涉叠加的结果。由于FP谐振腔内的巨大损耗，各干涉分量幅度不等导致了很低的干涉对比度。这种情况下，完全的相干相消不会出现。这说明，虽然这样的非对称纳米单缝可以被作为有效的SPPs单向激发器，但是这种结构只能实现单边的消光，不能在两个方向对两个不同的波长分别消光，它不能分开不同波长的SPPs，使不同波长的SPPs向相反方向传播。

在非对称纳米单缝中集成一个金属-介质-金属MIM垂直腔，SPPs在MIM垂直腔内的上下来回反射。沿水平金属-介质界面传播的SPPs可以耦合到MIM垂直腔中，并在合适的MIM垂直腔尺寸下产生共振，从而大大降低从纳米沟槽一侧透射出去的SPPs的强度。MIM垂直腔设置在纳米沟槽的下方，MIM垂直腔的宽度W_cav小于纳米沟槽的宽度，并且300nm≤W_cav≤500nm；位于纳米沟槽下表面之间且距离两端≥50nm的任意位置上，以避免边缘效应。MIM垂直腔的深度H_cav决定MIM垂直腔的共振波长λ_MIM。

MIM垂直腔集成于非对称纳米单缝中，形成复合腔结构，除了非对称纳米单缝的上半部分构成的水平的FP谐振腔之外，MIM垂直腔提供了附加的操控SPPs的机制。调节MIM垂直腔的深度H_cav，可以调节MIM垂直腔的共振波长，使λ_MIM≠λ_FP。此时，当入射光的波长在MIM垂直腔的共振波长λ_MIM附近，水平的FP谐振腔内的SPPs主要地被MIM垂直腔吸收和散射。所以，来自FP谐振腔内的SPP_L透射相干叠加的向左传播的SPPs会变得很弱。而对于向右传播的SPPs，尽管由FP谐振腔透射出的SPPs很弱，但由非对称纳米单缝的下半部分直接激发的SPP_R并未受影响，从而可以实现SPPs的向右单向激发。而当入射光的波长在FP谐振腔的消光波长λ_FP附近时，MIM垂直腔处于非谐振状态，其对SPP_L的传播影响较小，只是略微减小了FP谐振腔内的SPPs强度。整个复合腔结构此时类似于前面提到的非对称纳米单缝，因而SPPs依然可以主要向左激发。综上所述，选择结构尺寸使λ_MIM≠λ_FP，则当入射光的波长在MIM垂直腔的共振波长λ_MIM附近，复合腔系统主要向纳米缝方向单向激发SPPs；当入射光的波长在FP谐振腔的消光波长λ_FP附近，复合腔系统主要向纳米沟槽方向单向激发SPPs，从而复合腔结构实现了不同波长SPPs的有效分束。

本发明的优点：

本发明采用MIM垂直腔集成于非对称纳米单缝中，形成复合腔结构，在分束器的工作波长处，非对称纳米单缝的上半部分形成的FP谐振腔和集成于其中的MIM垂直腔可以几乎独立的操控SPPs。这不仅能够实现SPPs分束，更大的优势在于允许方便地调整分束波长。同时，集成的垂直腔并不增加整个器件的横向尺寸，有利于提高集成度，这样的亚微米结构在高集成度等离激元回路中具有潜在应用。本发明结构简单，分束性能好，消光比高，也为其他的表面等离激元功能器件提供了设计思路。

附图说明

图1为非对称纳米单缝的结构示意图；

图2为非对称纳米单缝的向左和和向右传播的表面等离激元的激发效率随入射波长的变化曲线图；

图3为本发明的基于复合腔结构的亚微米表面等离激元分束器的结构示意图；

图4为本发明的基于复合腔结构的亚微米表面等离激元分束器的一个实施例中SPPs经过一个MIM垂直腔的透过谱；

图5为本发明的基于复合腔结构的亚微米表面等离激元分束器的一个实施例的向左和向右传播的表面等离激元的激发效率随入射波长变化的曲线图；

图6为本发明的基于复合腔结构的亚微米表面等离激元分束器的一个实施例的向左和向右传播的表面等离激元的分束比随波长变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，设置在金属薄膜1上的纳米缝及在纳米缝2的左侧的纳米沟槽3，形成非对称纳米单缝。纳米沟槽的左壁与纳米缝的右壁之间形成FP谐振腔。金属薄膜采用金薄膜，纳米缝的宽度w_slit=180nm，FP谐振腔的长度L_FP=790nm，纳米沟槽的深度h_FP=120nm。采用有限元方法FEM进行数值模拟。模拟中的金的介电常数随波长的变化关系引自文献，并且用插值法展开。

模拟的结果如图2所示，可以清楚地看到在λ=850nm处，SPPs主要向左传播。这是因为沿金属的上表面向右传播的SPPs是由纳米缝直接激发的向右传播的SPP_R和FP谐振腔中SPP_L向右透射出去的部分相干叠加组成。在合适的尺寸下，这两个分量有相近的振幅和相反的相位，因而可以实现完全相干相消。但是，金属的上表面向左传播的SPPs在整个光谱范围都很强。这是因为向左传播的SPPs主要是FP谐振腔内不同来回的SPP_L的从左侧透射后干涉叠加的结果。由于FP谐振腔内的巨大损耗，各干涉分量幅度不等导致了很低的干涉对比度。这种情况下，完全的相干相消不会出现。这说明，虽然这样的非对称纳米单缝可以被作为有效的SPPs单向激发器，但是它不能分开不同波长的SPPs，使不同波长的SPPs向相反方向传播。

MIM垂直腔集成在上述非对称纳米单缝上，形成复合腔结构，如图3所示。本发明的基于复合腔结构的亚微米表面等离激元分束器包括：金属薄膜1；在金属薄膜1上设置有穿透金属薄膜上表面和下表面的纳米缝2；在纳米缝的一侧设置有纳米沟槽3，形成非对称纳米单缝；在纳米沟槽的下方集成金属-介质-金属MIM垂直腔4。MIM垂直腔的宽度W_cav=370nm，MIM垂直腔的深度H_cav=180nm，MIM垂直腔距纳米沟槽的下表面的左端的距离为50nm，距右端的距离为190nm。这里选择一个较大的MIM垂直腔的宽度（370nm）是为了确保MIM垂直腔中激发出反对称模式SPPs，以便在共振波长处获得较低的透过率，如图4所示。

图5中的实线和虚线分别给出了计算得到的复合腔结构向左和向右传播的等离激元的激发效率η_L和η_R随入射波长的变化曲线。这里，以纳米缝（没有纳米沟槽和MIM垂直腔）为参考，将此时的SPPs的激发效率定为单位1。SPPs的激发效率η被定义为有附加结构和没有附加结构时纳米单缝激发的SPPs在金属薄膜上表面的强度之比。在MIM垂直腔的共振波长附近，水平的FP谐振腔内的SPPs主要地被垂直腔吸收及散射。所以，来自FP谐振腔内SPP_L透射相干叠加的向左传播SPPs会变得很弱。在λ=770nm时，η_L仅为0.05。而对于向右传播的SPPs，尽管由水平FP谐振腔的SPP_L透射出很弱，但由非对称单缝下半部分直接激发的SPP_R并未受影响，所以η_R此时接近于1。因此，在λ=770nm处，这个复合腔结构实现了SPPs的向右单向激发。另外，在λ=850nm时，MIM垂直腔处于非谐振状态，其对向左传播的SPP_L的影响较小，只是略微减小了FP谐振腔内的SPPs强度。整个复合腔结构此时类似于前面提到的非对称纳米单缝，因而在λ=850nm附近，SPPs依然主要的向左激发。综上所述，复合腔结构实现了不同波长的SPPs的有效分束。

表面等离激元分束器的向左和向右的分束比分别为η_L/η_R和η_R/η_L。如图6所示，实线和虚线分别代表了向左和向右的分束比，在分束波长λ=767nm和λ=847nm处，η_R/η_L和η_L/η_R分别对应了24:1和23:1分束比。

实验上，复合腔结构采用聚焦离子束FIB加工，所使用的金薄膜厚度为450nm，金薄膜与玻璃间有30nm的Ti作为粘附层。首先，用FIB刻一条长30微米的纳米缝；然后紧靠纳米缝的下2/3部分刻一个长20微米的纳米沟槽，构成非对称纳米单缝。最后，在最下10微米的部分，纳米沟槽下面刻出MIM垂直腔，MIM垂直腔的长度10微米。单缝宽度w_slit=180nm，FP腔长L_FP=810nm，深度为h_FP=110nm，垂直腔腔宽W_cav=400nm，腔深H_cav=120nm。

实验中，从激光器出来的p-偏振激光束（钛宝石激光器，波长从700nm到950nm连续可调）从样品的背面正入射到纳米缝上，光斑半径约为100微米。金属表面结构散射到空气中的光被物镜收集，然后成像到彩色CCD上。入射波长λ=740nm时，左侧探测光栅的下1/3部分很暗，右侧探测光栅很亮，这说明SPPs主要向右传播；而两侧光栅中间1/3部分的亮度几乎相同，这对应着传统非对称纳米单缝。而当入射波长λ=890nm时，右侧光栅的中间1/3和下面1/3部分都很暗，相应的左侧光栅变亮，这说明SPPs主要向左传播。这些实验结果与数值模拟符合得很好。实验上还测量了分束比随波长的变化关系，也得到了很高的分束比。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种表面等离激元分束器，其特征在于，所述表面等离激元分束器包括：金属薄膜（1）；在金属薄膜（1）上设置有穿透金属薄膜上表面和下表面的纳米缝（2）；在纳米缝的一侧设置有纳米沟槽（3），形成非对称纳米单缝；在纳米沟槽的下方集成金属-介质-金属MIM垂直腔（4）。

2.如权利要求1所述的表面等离激元分束器，其特征在于，所述纳米沟槽（3）的一侧壁与纳米缝（2）的另一侧壁之间形成法布里-珀罗谐振腔FP谐振腔，调节所述FP谐振腔的长度L_FP，调节纳米单缝激发的SPPs向纳米沟槽（3）方向传播且从纳米缝（2）方向透射出的成分与向纳米缝（2）方向直接传播的成分之间的相位差，当相位差等于π的奇数倍时，二者相干相消，对应FP谐振腔的消光波长λ_FP。

3.如权利要求2所述的表面等离激元分束器，其特征在于，调节所述FP谐振腔的深度h_FP，调节纳米单缝激发的SPPs向纳米沟槽（3）方向传播成分的强度。

4.如权利要求2所述的表面等离激元分束器，其特征在于，调节所述FP谐振腔的长度L_FP，改变FP谐振腔的消光波长λ_FP。

5.如权利要求1所述的表面等离激元分束器，其特征在于，所述MIM垂直腔（4）的宽度W_cav小于纳米沟槽（3）的宽度，并且300nm≤W_cav≤500nm。

6.如权利要求1所述的表面等离激元分束器，其特征在于，所述MIM垂直腔（4）位于纳米沟槽的下表面之间且距离两端≥50nm的任意位置上。

7.如权利要求2所述的表面等离激元分束器，其特征在于，所述MIM垂直腔（4）的深度H_cav决定MIM垂直腔的共振波长λ_MIM。

8.如权利要求7所述的表面等离激元分束器，其特征在于，λ_MIM≠λ_FP，当入射光的波长在MIM垂直腔的共振波长λ_MIM附近，主要向纳米缝方向的单向激发SPPs；当入射光的波长在FP谐振腔的消光波长λ_FP附近，主要向纳米沟槽方向的单向激发SPPs。

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